PERSAMAAN DIFERENSIAL SIMULTAN Kelompok 3: 1. Carlos Demelo Simangunsong (17101103067) 2. Sintia Rondonuwu
(17101103065)
3. Salma Domili
(17101103021)
4. Deybrati Powa
(17101103045)
5. Harvey Lumenta
(17101103017)
6. Devidson Mananggung
(17101103025)
7. Debora E.A Manuputty
(17101103051)
8. Agnesyera Veren Lengkong
(17101103057)
9. Ester Tindi
(17101103035)
10. Adelina Putri
(17101103001)
11.Nelly Mambrassar
(17101103073)
Jika satu di antara variabel-variabel itu bebas, persamaannya adalah persamaan diferensial biasa, jika lebih banyak variabel yang bebas, persamannya disebut persamaan diferensial parsial. Pada bab ini akan diperhatikan sistem persamaan diferensial linier biasa dengan koefisien-koefisien konstan, seperti: ππ₯
ππ¦
A) 3 ππ‘ + 2 ππ‘ β 3π₯ β π¦ = π π₯ ππ₯
atau
(π· + 5)π₯ +
+ 5π₯ + π¦ = 0
ππ‘
1
π΄β²) 3(π· β 1)π₯ + 2 (π· β 2) π¦ = π π₯ π¦
dan B) 2
ππ₯ ππ‘
ππ₯ ππ‘
ππ₯
ππ¦
+ 3 ππ‘ + 9π¦ = 1 ππ§
β ππ‘ + 5π₯ + 3π§ = 1 ππ¦ ππ‘
ππ§
+ ππ‘ + 3π π₯ π¦ + 2π§ = 0
atau
Bβ)
2 π·π₯
π
= 0 , di mana π· = ππ‘
+ 3(π· + 3)π¦ = 1
(π· + 5)π₯ β (π· β 3)π§ = 1 π π₯ (π· + 3)π¦ + (π· + 2)π§ = 0
di mana banyaknya persamaan serentak sama dengan banyaknya variabel tak bebas.
PROSEDUR DASAR untuk menyelesaikan suatu sistem n persamaan diferensial biasa dalam n variabel terikat, terdiri dari cara mendapatkan himpunan di mana semua variabel terikatnya, kecuali sau misalnya x, dapat dieliminasikan, dan cara mendapatkannya dengan menurunkan persamaan yang diketahui. Persamaan yang dihasilkan dengan eliminasi, selanjutnya diselesaikan untuk variabel x ini. Setiap variabel terikat diselesaikan dengan cara yang sama. ππ₯
ππ¦
ππ¦
1) 3 ππ‘ + 2 ππ‘ β 3π₯ β π¦ = π π₯ , 2) 2 ππ₯ + 3π₯ + 9π¦ = 0
CONTOH. Perhatikan sistem A) Penyelesaian I.
Pertama kali, catatlah bahwa penyelesaian umunya x = x(t) dan y = y(t) dari sistem, akan juga memenuhi π2 π₯
ππ₯
ππ¦
2 ππ‘ 2 + 3 ππ‘ + 9 ππ‘ = 0
3)
Diperoleh dengan menurunkan 2), lebih lanjut, kalikan 1) dengan β1, 3) dengan 1, dan jumlahkan, diperoleh 4)
π2 π₯ ππ‘ 2
β 8π₯ = βπ π₯
yang juga dipenuhi x = x(t), y = y(t). Persamaan diferensial yang terakhir ini, bebas dari y dan turunannya, dapatlah diselesaikan dengan mudah; jadi, 1
1
π₯ = πΆ1 cos π‘ + πΆ2 sin π‘ β π·2 +1 π π‘ = πΆ1 cos π‘ + πΆ2 sin π‘ β 2 π π‘ . Untuk mendapatkan y dengan cara yang sama, 1) diturunkan diperoleh 3
5)
π2 π§ ππ‘ 2
+2
π2 π₯ ππ‘ 2
β3
ππ₯ ππ‘
β
ππ¦ ππ‘
= ππ₯
dan di antara persamaan ini dan persamaan 1), 2), 3) dieliminasikan x dan turunannya. Akan tetapi, cara berikut lebih mudah. Dari 2) diperoleh ππ₯
1
1
π¦ = β ππ‘ β 3π₯ = β(βπΆ1 sin π‘ + πΆ2 cos π‘ β 2 π π₯ ) β 3(πΆ1 cos π‘ + πΆ2 sin π‘ β 2 π π₯ ) = (πΆ1 β 3πΆ2 ) sin π‘ β (3πΆ1 + πΆ2 ) cos π‘ + 2π π₯ . 1
Jadi, π₯ = πΆ1 cos π‘ + πΆ2 sin π‘ β 2 π π₯ , π¦ = (πΆ1 β 3πΆ2 ) sin π‘ β (3πΆ1 + πΆ2 ) cos π‘ + 2π π₯
BANYAKNYA KONSTANTA SEBARANG YANG BEBAS muncul pada penyelesaian umum system F1 (D)x + g1 (D)y = h1 (t) F2 (D)x = g2 (D)y = h2 (t) π (π·) β = |1 π2 (π·)
Sama dengan derajat D determinan
π1 (π·) | π2 (π·)
Asalkan β tidak lenyap sama-sama. Jika β = 0,sistemnya terikat; sistem yang demikian tidak dperhatikan disini. Untuk sistem Aβ),
2(π· β 2) β=| π·+3
π·β1 | = - (D2 + 1) . 1
Derajat D (2) sesuai dengan banyaknya konstantasebarang yang muncul pada penyelesaian umum.Teorema dapat diperluas dengan mudah untuk keadaan n persamaan dengan n variabel tersebut.
Soal dan Penyelesaian: 1) (π· β 1)π₯ + 2π·π¦ = 4π‘ + 2
1. Selesaikan sistem :
2) (2π· + 2)π₯ + 4π·π¦ = 2π‘ Solusi: 3
2) dikurangi 2 kali 1), diperoleh 4π₯ = β6π‘ β 4. Substitusikan π₯ = β 2 π‘ β 1 pada 1), diperoleh, 5
5
dan π¦ = 4 π‘ 2 + π‘ + πΆ1 .
2π·π¦ = 4π‘ + 2 β (π· β 1)π₯ = 2 π‘ + 1 3
5
Penyelesaian lengkapnya π₯ = β 2 π‘ β 1, π¦ = 4 π‘ 2 + π‘ + πΆ1. Catatlah bahwa sebarang.
π· β 1 2π· berderajat 1 dalam D dan terdapatlah sebuah konstanta 2π· + 2 4π·
2. Selesaikan sistem : 1) (π· + 2)π₯ + 3π¦ = 0 2) 3π₯ + (π· + 2)π = 2π 2π‘. Solusi: Kenakanlah operator π· + 2 pada 1), kalikanlah 2) dengan -3 dan jumlahkan, diperoleh 6
(π·2 + 4π· β 5)π₯ = β6π 2π‘ . ππππ π₯ = πΆ1 π π‘ + πΆ2 π β5π‘ β 7 π 2π‘. 1
8
Dari 1), π¦ = β 3 (π· + 2)π₯ = βπΆ1 π π‘ + πΆ2 π β5π‘ + 7 π 2π‘ .
1) (π· β 3)π₯ + 2(π· β 2)π¦ = 2 π ππ π‘
3. Selesaikan sistem :
2) 2(D+1)x + (D-1)y = cos t. Solusi: Kenakanlah operator D-1 pada 1) dan 2(D+2) pada 2), diperoleh 3) (D-1) (D-3)x + 2(D-1)(D+2)y = (D-1)[2 sin t]
= 2 cos t - 2 sin t
4) 4(D+2)(D+1)x + 2(D+2) (D-1)y = 2(D+2) cos t
= 4 cos t - 2 sin t.
Kurangkan 3) dari 4) dan catatlah bahwa (D-1) (D+2) = (D+2) (D-1), karena operatoroperator itu mempunyai koefisien-koefisien konstan, [4 (π·2 + 3π· + 2) β (π·2 β 4π· + 3)]π₯ = (3π·2 + 16π· + 5)π₯ = 2 cos π‘ Dan
x
= πΆ1 π β3π‘ + πΆ2 π βπ‘/3 +
2
1
3π· 2 +16π·+5
cos π‘ = πΆ1 π β3π‘ + πΆ2 π βπ‘/3 + 3π·+1 cos π‘
= πΆ1 π β3π‘ + πΆ2 π βπ‘/3 + (8 sin + cos π‘ )/65. Dari 2),
(D-1)y = cos t + 2(D+1)x π‘
4
= cos t + 8πΆ1 π β3π‘ β 3 πΆ2 π β3 β (18 cos π‘ + 14 sin π‘ )/65. π‘
4
= 8πΆ1 π β3π‘ β 3 πΆ2 π β3 + (47 cos π‘ β 14 sin π‘)/65. π¦π βπ‘
4
π‘
= β«(8πΆ1 π β3π‘ β 3 πΆ2 π β3 + 4
= β πΆ1 π β6π‘ + πΆ2 π β 3
β4π‘ 3
+
47 cos t β 14 sin t βπ‘ π )dt 65 61 sin t β 33 cos π‘ 130
π βπ‘ + πΆ3
βπ‘
4
y = β πΆ1 π β3π‘ + πΆ2 π β 3 +
Dan
61 sin t β 33 cos π‘
3
130
+ πΆ3 π π‘ .
Karena derajat β adalah 2, penyelesaian umumunya mempunyai dua konstanta sebarang. Dengan demikian, apabila pernyataan-pernyataan ini disubstitusikan untuk x dan y pada 1) diperoleh πΆ3 = 0. Maka πΆ1 π β3π‘ + πΆ2 π βπ‘/3 +
(8 sin π‘ +cos π‘ ) 65
,
βπ‘
4
y = β 3 πΆ1 π β3π‘ + πΆ2 π β 3 +
61 sin t β 33 cos π‘ 130
Adalah persamaan umumnya. 1) π·2 π₯ β π₯ 2 π¦ = 0, 2) π·2 π¦ + π₯ 2 π₯ = 0,
4. Selesaikan sistem : Solusi:
Kenakan operator π·2 pada 1) dan substistusikan π·2 π¦ = βπ2 π₯ dari 2), diperoleh π·2 β π2 (βπ2 π₯) = π·2 + π4 π₯ = (π·2 + π4 )π₯ = 0, ππππ π· = Β± dan π₯ = π
β
ππ‘ β2
(πΆ1 cos
ππ‘ β2
+ πΆ2 sin ππ‘/β2 ) + π βππ‘/β2 (πΆ3 cos
ππ‘ β2
π β2
(1 Β± π‘)
+ πΆ4 sin ππ‘/β2 ).
Substitusikan untuk x pada 1) dan selesaikan 1
ππ‘
π¦ = π2 π·2 π₯ = π β2 (πΆ2 cos
ππ‘ β2
β πΆ1 sin
ππ‘ β2
) + π βππ‘ (πΆ3 sin
ππ‘ β2
β πΆ4 cos
ππ‘ β2
)
1). (π· + 1)2 π₯ + 2π·π¦ + 3π·π§ = 1
5. Selesaikan sistem
2).
π·π₯
3).
π₯
+ π§
=0
β π·π¦ β π·π§ = 0.
Carilah penyelesaian khusus dimana π₯ = π§ = 1, π¦ = 0 ππππ π‘ = 0. Solusi: Pertama, kenakanlah π· pada 2) diperoleh 4) π·2 π₯ + ππ§ = 0. Selanjutnya, tambahkan dua kali 3) pada 1) dan kurangkan 4) diperoleh (2π· + 3)π₯ = 1; maka π₯π 5π‘/2 =
1
β« π 5π‘/2 ππ‘ = 2
1
1
π 5π‘/2 + πΆ1 dan π₯ = 3 + πΆ1 π 5π‘/2 . 3 3
π§ = βπ·π₯ = 2 πΆ1 π β5π‘/2 .
Dari 2). 1
9
Dari 3). π·π¦ = π₯ β π·π§ = 3 + πΆ1 π 5π‘/2 + 4 πΆ1 π β5π‘/2 =
1 3
+
13 4
πΆ1 π β5π‘/2 ; maka
1
π¦ = 3π‘ β (π· + 1)2 Karena | π· 1
2π· 0 βπ·
13 6
πΆ1 π β5π‘/2 πΆ2 .
3π· 2 1 | = 2π· + 3π· berderajat 2dalam D terdapatlah2 konstanta βπ· 1
1
sebarang dan penyelesaian umumnya π₯ = 3 +πΆ1 π β5π‘/2 , π¦ = 3 π‘ β 3
πΆπ 2 1
β5π‘/2
13 6
πΆ1 π β5π‘/2 πΆ2 , π§ =
. 1
2
13
2
Jika π‘ = 0; π₯ = 3 + πΆ1 = 1 πππ πΆ1 = 3 ; π¦ = (β 6 ) (3) + πΆ2 = 0 dan πΆ2 =
13 9
.
Dengan demikian penyelesaian khususnya 1
2
π₯ = 3 + 3 π β5π‘/2 ,
1
π¦ = 3π‘ β
13 9
π β5π‘/2
13 9
, π§ = π β5π‘/2 .
Catatan bahan penyelesaian khusus yang memenuhi himpunan syarat awal tidak selalu dapat diperoelh. Sebagai contoh, tak ada penyelesaian yang memenuhi syarat-syarat π₯ = 1, π¦ = π§ = 0 jika t=0, karenaπ₯ = 1, π¦ = 0 kontradiksi dengan π₯ = 1/3 + 2π§/3. Demikian juga π¦ = 0, π§ = 1, ππ₯/ππ‘ = 1 jika t=0 kontradiksi dengan ππ₯/ππ‘ = βπ§.
6. Selesaikan sistem: 1). (π·2 β 2)π₯ β 3π¦ = π 2π‘ 2). (π·2 + 2)π¦ + π₯ = 0. Carilah penyelesaian khusus yang memenuhi syarat π₯ = π¦ = 1, π·π₯ = π·π¦ = 0 jika π‘ = 0. Solusi: Dikenakan operator π·2 pada 1) diperoleh π·4 π₯ β 2π·2 π₯ β 3π·2 π¦ = 4π 2π‘ dan 1) diganti π·2 π₯ = 2π₯ + 3π¦ + π 2π‘ dan dari 2) π·2 π¦ = βπ₯ β 2π¦, diperoleh (π·4 β 1)π₯ = 6π 2π‘ Maka = πΆ1 π π‘ + πΆ2 π βπ‘ + πΆ3 cos π‘ + πΆ4 sin π‘ + y=
1 3
[(π·2 β 2)π₯ β π 2π‘ ]
2 2π‘ π 5
dan, gunakan 1)
1
1
= β 3 (πΆ1 π π‘ + πΆ2 π βπ‘ ) β (πΆ3 cos π‘ + πΆ4 sin π‘) β 15 π 2π‘ .
Catatlah bahwa π₯ dapat juga diperoleh dengan penggunaan determinan. Jadi, 2 β3 | π₯ = |π 2π‘ |π· β 2 1 π·2 + 2 0
Jika π‘ = 0,
3 | π· +2 2
2
π₯ = πΆ1 + πΆ2 + πΆ3 + 3 = 1
atau
(π·2 β 1)π₯ = 6π 2π‘ , dan lain-lain. 4
dan π·π₯ = πΆ1 β πΆ2 + πΆ4 + 5 = 0.
1
1
π¦ = β 3 (πΆ1 + πΆ2 ) β πΆ3 β 15 = 1
1
2
dan π·π¦ = β 3 (πΆ1 β πΆ2 ) β πΆ4 β 15 = 0.
Maka πΆ1 = 3/4 , πΆ2 = 7/4 , πΆ3 = β19/10 , πΆ4 = 1/5 , dan penyelesaian khusus yang diminta adalah 1
1
2
π₯ = 4 (3π π‘ + 7π βπ‘ ) β 10 (19 cos π‘ β 2 sin π‘) + 5 π 2π‘ 1
1
1
π¦ = β 12 (3π π‘ + 7π βπ‘ ) + 10 (19 cos π‘ β 2 sin π‘) β 15 π 2π‘ 7. Selesaikan sistem
1) (π· + 3)π₯ + 5π¦ = 2π‘ 2) (π· + 1)π₯ + (π· + 2)π¦ = π‘ 2 β 1
Solusi: Dengan menggunakan deter minan dari sistem di atas, diperoleh: π·+3 5 2π‘ | |π₯ = | 2 π·+1 π·+2 π‘ β1
5 | π·+2
[(π·2 + 5π· + 6) β 5π· β 5]π₯ = 2π·π‘ + 4π‘ β 5π‘ 2 + 5 (π·2 + 1)π₯ = β5π‘ 2 + 4π‘ + 7 atau π₯ = πΆ1 cos π‘ + πΆ2 sin π‘ β 5π‘ 2 + 4π‘ + 7 π·+3 2π‘ π·+3 5 | |π¦ = | | π· + 1 π‘2 β 1 π·+1 π·+2 [(π·2 + 5π· + 6) β 5π· β 5]π¦ = π·π‘ 2 + 3π‘ 2 β π· β 3 β 2π·π‘ β 2π‘ (π·2 + 1)π¦ = 3π‘ 2 β 5 atau π¦ = πΆ1 cos π‘ + πΆ2 sin π‘ + 3π‘ 2 β 5 Jadi, π₯ = πΆ1 cos π‘ + πΆ2 sin π‘ β 5π‘ 2 + 4π‘ + 7 dan π¦ = πΆ1 cos π‘ + πΆ2 sin π‘ + 3π‘ 2 β 5 adalah penyelesaiannya.
1) π₯
8. Selesaikan sistem:
+ (π· + 3)π¦
= ππ‘
2) (π· β 1)π₯ + 2(π· β 2)π¦ = 0 Solusi: Dengan menggunakan determinan dari sistem di atas, diperoleh: 1 π·+3 ππ‘ | |π₯ = | π· β 1 2(π· β 2) 0
(π· + 3) | 2(π· β 2)
[π·2 + 1]π₯ = 2π·π π‘ β 4π π‘ π₯ = πΆ1 cos π‘ + πΆ2 sin π‘ β 2π π‘ 1 π·+3 | |π¦ = | 1 π· β 1 2(π· β 2) π·β1
ππ‘| 0
[π·2 + 1]π¦ = βπ·π π‘ + π π‘ π¦ = πΆ1 cos π‘ + πΆ2 sin π‘ Jadi, π₯ = πΆ1 cos π‘ + πΆ2 sin π‘ β 2π π‘ dan π¦ = πΆ1 cos π‘ + πΆ2 sin π‘ adalah penyelesaiannya.
9. Selesaikan sistem: 1) (D + 1)x + (D - 1)y = et 2) (D2 + D + 1)x + (D2 β D + 1)y = t2 . Solusi: Kenakan operator D2 + D + 1 pada 1) dan D + 1 pada 2),dan kurangkan, diperoleh: 1
2y = t2 + 2t β 3et dan y =2 t2 + t -
3 t e 2
.
Kenakan operator D2 β D + 1 pada 1) dan D-1 pada 2), dan dikurangkan,diperoleh
1
1
2x = t2 β 2t + et dan x = 2 t2 β t + 2 et . π·+1 π·β1 Catatlah | 2 | = 2 adalah derajat 0 pada D; dengan demikian taka da π· + π· + 1 π·2 β π· + 1 konstanta sebarang pada penyelesaiannya.
10. Selesaikan sistem
1) (π·2 + π· + 1)π₯ + (π·2 + 1)π¦ = π π‘ 2) (π·2 + π·)π₯
+ π·2 π¦
= π βπ‘
Solusi: Dengan menggunakan determinan dari sistem di atas, diperoleh: 2 π·2 + π· | π₯ = | π π‘ | 2π· π· + 1 π·2 + π· + 1 π βπ‘
π·2 + π· | π·2 + π· + 1
[π·2 (π·2 + π· + 1) β (π·2 + 1)(π·2 + π·)]π₯ = π·2 π π‘ + π·π π‘ + π π‘ β π·2 π βπ‘ β π·π βπ‘ βπ·π₯ = 3π π‘ atau π₯ = β3π π‘ β πΆ1 2 π·2 + π· | π¦ = | π·2 ππ‘ | | 2π· π· + 1 π·2 + π· + 1 π·2 + 1 π βπ‘
[π·2 (π·2 + π· + 1) β (π·2 + 1)(π·2 + π·)]π¦ = π·2 π βπ‘ β π·2 π π‘ β π π‘ βπ·π¦ = π βπ‘ β 2π π‘ = βπ βπ‘ + 2π π‘ atau π¦ = βπ βπ‘ + 2π π‘ + πΆ1 Jadi, π₯ = β3π π‘ β πΆ1 dan π¦ = βπ βπ‘ + 2π π‘ + πΆ1 adalah penyelesaiannya.